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电动机不同启动方式特性比较

电机启动时面临的主要问题是启动电流比较大，有时还要控制启动转矩，必须采用合适的启动方法，常见的启动方法有：直接启动、∆→Y启动、原边串联电抗启动 (primary reactor ?)、自耦降压启动、固态软启动等方法。不同启动方式的特点如下：
1、直接启动，Across the line
如图1所示，直接将交流接触器串联到启动回路中，此方法属于全压启动。设备最简单，价格最便宜。但启动电流约为额定电流6~8倍，加速电机老化；同时全压启动容易导致如齿轮、皮带、链条等传动机构失效。另外容易引起较大的线路压降，影响到其它的用户，因此一些地方规定，若有独立变压器，电机启动频繁时，电机容量小于变压器容量的20%时允许直接启动；若启动不频繁，电机容量小于变压器容量的30%时才允许直接启动；若没有独立变压器，电动机直接启动时所产生的电压降不应超过5% 。一般来讲，20~30kW以下的异步电动机一般都采用直接启动的，也需要大容量的交流接触器。
图1：直接启动方式 图2：星—三角转换启动

2、∆→Y启动，Wye-Delta
如图2所示，顾名思义，此启动方式的基本思路是利用“相电压是线电压3倍”的关系，在启动时将采用三角形接法的电机绕组转变为星型接法，从而将启动电压降为直接启动的1/3，为电压调整方法。该方法最大的限制是只能用于绕组采用三角形接法的电机，目前，4~100kW电机，特别是一些更大功率的电机绕组基本上设计成三角形接法，为可能使用此启动方法创造了条件。其具有结构紧凑、体积小、成本低、寿命长、方便选型、动作可靠等特点。但启动力矩是固定不可调的，而且当电机的额定电流比较大时，由于其接触器在转换时会由于电流过大产生拉弧现象，对电网冲击较大。
图3：自耦降压启动
3、自耦合变压启动， Autotransformer
电压调整法，利用三相自耦变压器将电动机启动过程中的端电压降低，基本原理如图3所示。不同位置的电压抽头对应不同的输出电压，实现电压的分级(大多厂家都为50%、65%、80% 档) 调整。但此种方式不能依据负荷的情况灵活调节启动过程；不同级之间过渡时回产生较大的机械冲击，接触器维护费用比较高，价格也比较高；尺寸比较大，需要一定的安装空间；停机过程不可控制。本方法适用于容量较大的电机，且能适应不同的供电电压，与其它方式相比，可有效降低启动电流，是一种常用的启动方式。
4、原边串联电抗启动， Primary reactor
该方法的定义参照变压器的术语，在笼型异步电机中，定子电路产生感应磁场，类似变压器的原边绕组因而得名。电机启动时，在定子回路中接入分压电阻，使定子两端的电压小于电网电压，从而可以一定程度的降低启动电流。但在频繁启动的场合，容易引起电阻发热。在高压电机中，通常接入电抗。待电机启动后，再将电（阻）抗短路。
5、固态软启动，Solid State Starter
软启动器实质上是一个晶闸管调压调速装置，串接于电源与被控电机之间，联结方式如图4所示。用软启动器启动电机时，通过改变其内部晶闸管的导通角，调节输出电压，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，电动机逐渐加速，直至晶闸管全导通，赋予电机全电压，启动结束，电动机工作在额定电压的机械特性上，即为软启动。与传统的降压启动相比不同之处是：①无冲击电流。②恒流启动。软启动器可以引入电流闭环控制，使电机在启动过程中保持恒流，确保电机平稳启动。③根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的启动电流。
图4：软启动器示意图

软启动一般具有以下几种启动方式：
(1) U斜坡升压软启动
这种启动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机启动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。
(2) 斜坡恒流软启动
这种启动方式提供电流限幅(如200％~500％电机额定电流可调)，在电动机启动的初始阶段启动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至启动完毕。加速时间在一定范围内可调(如1~999s)。启动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则启动转矩大，启动时间短。该启动方式应用最多，尤其适应于风机、泵类负载的启动。
(3) 阶跃启动
开机时，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃启动。通过调节启动电流设定值，可以达到快速启动效果。
(4)脉冲冲击启动
在启动开始阶段，让晶闸管在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升。该启动方法，在一般负载中很少应用，适应于重载并需克服较大静摩擦力的启动场合。如皮带运输机和搅拌机等静阻力矩比较大，必须要施加一个短时的大启动力矩，以克服大的静摩擦力。它可以短时输出最大达95％的额定电压(相当于90％直接启动转矩)，且0~400ms可调。
一般来讲，软启动器具有以下一些功能：
(1) 软停车功能
电机停车时，传统的控制方式都是通过瞬时停电完成的。但有许多应用场合，不允许电机瞬时关机。例如：高层建筑、大楼的水泵系统，如果瞬时停机，会产生巨大的“水锤”效应，使管道甚至水泵受到损坏。为减少和防止“水锤”效应，需要电机逐渐停机，采用软启动器能满足这一要求。在泵站中，应用软停车技术可减少泵站管道、阀门、水泵损坏情况，降低维修工作量和维修费用。停车的时间根据实际需要可在0~120s调整。 软启动器亦可如传统停车方式停车。
(2) 轻载节能功能
笼型异步电机是感性负载，在运行中，定子线圈绕组中的电流落后于电压。如电机工作电压不变，处于轻载时，功率因数低，处于重载时，功率因数高。软启动器能实现在轻载时，通过降低电机端电压，提高功率因数减少电机的铜耗、铁耗，达到轻载节能的目的；负载重时，则提高电机端电压确保电机正常运行。另外，软启动器还具有各种保护功能，如过载保护、缺相保护、过热保护等。
软启动器的优点
上述的软启动器的功能并不是所有的软启动器都具备的，各家公司的产品均有各自不同的特点，其功能、技术指标各不相同，应根据实际需要进行选择。但是所有软启动器的优点可以归结为以下几点：
(1) 启动电流调节灵活，可设计为多种工况用启动器，其自带的微机控制部件可实现比较复杂的控制策略，应用广泛。
(2) 应用这种节能启动器可避免传统启动器经常更换接触器触头，减少了修理费，同时具有体积小、重量轻、调整方便等一系列优点。
(3) 恒流软启动减少了电机的启动电流，减少了启动电流对电网的冲击和对电机及设备的启动冲击转矩。
(4) 使电动机在空载和轻载时减少了电动机的有功损耗、无功损耗，提高了功率因数，减少了线路损耗。
(5) 由于减少了电动机损耗，从而降低了电动机的工作温度，延长了电动机寿命。
(6) 其软停车功能减小了设备的制动冲击转矩。同时它所提供的快速制动功能，又满足了在紧急情况下，需要紧急制动的要求。
(7) 由于降低了电动机的工作温度和减少了电动机启动和制动冲击转矩，从而减少了电动机和设备的维护检修。
(8)软启动器本身所具备的完善的保护功能，减少了设备保护装置费用。也正因为软启动器具有这些优点，才使其得到广泛应用。
原则上，鼠笼式异步电动机凡不需要调速的各种场合都可适用。目前的应用范围是交流380V~660V，电机功率可以从几千瓦到800千瓦。
软启动器特别适用于各种泵类负载或风机负载，需要软启动与软停车的场合。同样对于变负载工况、电机长期处于轻载运行，只有短时或瞬时处于重载的场合，应用软启动器 (不带旁路接触器)则具有轻载节能的效果，有很多的实例证明软启动的节电效率最高可达20％以上，设备空载或轻载运行时间所占的比例越大，节能效果越明显。
另外特别指出的是，软启动器具有的功能一般变频器都具备，但软启动器不会改变电源频率。
下表中对不同启动方式的性能特点进行了对比：

表1：不同启动方式的对比

直接启动

星—三角转换启动
初级电抗启动
自耦降压启动
软启动
启动
电流
6~8
（与额定值相比，其它同）
2.31
4
电压U1N
2.84
电压0.64U1N
与启动模式有关
启动
转矩
2
0.683
0.683
0.840
与启动模式有关
价格

便宜
便宜
较高
依配制而定，一般来比较高
优缺点
大的启动转矩，但启动电流也非常大，对电网造成冲击，容易损坏电机及相关电气设备；电网容量足够大且不发生频繁启动，特别是电机功率比较小的场合可以使用。
简便易行，目前在380V范围内可直接选择配套启动器，高压时要定制；在切换时产生尖峰电流，对设备有冲击。降压比固定，适用于空载或轻载启动的场合。
设备简单，启动电流的下降与连接电抗的值有关，但计算表明，其启动转矩的下降快于电流的下降，因此比较适用于中等容量电机，要求平稳启动，空载或极轻载的情况。
设备需要一定的安装空间，价格比较高，但可灵活选用降压比率，以适应不同的应用场合，是传统降压启动方式中应用最广的一种。
设备集成度比较高，可根据需要灵活的设定启动方式，此外还有一些额外的功能如轻载节能等，自动化程度比较高，但价格比较贵，使用中元件要发热，安装使用时要注意。是一种推广非常快的启动方式。